生物化学-第01章 蛋白质的结构与功能

介绍重要生物分子——

蛋白质、核酸、酶的结构与功能

学习技巧：概念

结构特点

主要功能

基本的理化性质与应用

比较：共性与差异第一篇

生物大分子的结构与功能第一章蛋白质的结构与功能一、蛋白质(protein)的概念：

蛋白质是由氨基酸(aminoacids)为基本单位组成的高分子化合物，是生命活动的物质基础。概述（StructureandFunctionofProtein）二、蛋白质的重要性

蛋白质是细胞结构的主体，绝大多数生命活动由蛋白质执行，没有蛋白质就没有生命。

蛋白质的功能：

•

催化功能：酶

•

调节功能：激素与受体、基因调控

•

保护功能：抗体、凝血因子

•

运输和转运：载脂蛋白

•

运动：肌凝蛋白、肌动蛋白第一节蛋白质的分子组成

TheMolecularComponentofProtein蛋白质的元素组成：蛋白质均含有C、H、O、N

四种元素，部分蛋白质含

S等元素。

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量（凯氏定氮法）：100克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%蛋白质元素组成的特点一、氨基酸（aminoacid）组成蛋白质的基本单位——氨基酸组成人体蛋白质的氨基酸有20种，均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。甘氨酸侧链为H，没有L-和D-型之分，故只是a-氨基酸H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-HCHO|HO-C-H|CH2OHL–甘油醛

COOH|H2N-C-H|

R（侧链基团）

L--氨基酸

-碳原子(C)为不对称碳原子，有两种构型：L-型和D-型。非极性脂肪族氨基酸极性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸疏水性侧链(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸

侧链含羧基，易释放H＋而带负电荷--(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸

天冬氨酸

Asparticacid

天,Asp

谷氨酸

Glutamicacid

谷,

Glu(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸ε-氨基胍基咪唑基+++22

易接受H＋而带正电荷

赖氨酸

Lysine

赖,Lys

精氨酸

Arginine

精,Arg

组氨酸

Histidine

组,His

半胱氨酸：

半胱氨酸

二硫键

半胱氨酸

HOOC-CH-CH2--S—S--CH2-CH-COOH

NH2NH2

胱氨酸丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸：

侧链含羟基（-OH），与磷酸化/脱磷酸等有关

脯氨酸、赖氨酸：

在某些蛋白质合成加工时可修饰（羟化）成羟脯氨酸和羟赖氨酸三、氨基酸的理化性质（自学）

四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链（一）肽(peptide)：氨基酸通过肽键连接形成的化合物肽键(peptidebond，酰胺键)：

一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的共价键。

R1

OR2H2N-CH-C-OH+H-N-CH-COOHH

R1

O

R2H2N-CH-C—N-CH-COOHH

肽键-H2O……N端C端多肽链：多个氨基酸通过肽键连接形成的链状结构。

多肽链的游离氨基末端称为N端多肽链的游离羧基末端称为C端

多肽链的方向：

N端→C端

氨基酸残基（residue

residue

）：肽链中氨基酸因脱水形成肽键而基团不全，称之~。寡肽

(oligopeptide)

：10个以内的氨基酸连接成的肽多肽(polypeptide)

：11个以上的氨基酸连接成的肽，为多肽链(polypeptidechain)蛋白质：51个以上的氨基酸组成的肽（为多肽链）肽的分类（二）生物活性肽概念：指具有特定生物学活性的低分子量的肽（寡肽和多肽）。1、谷胱甘肽（glutathione，GSH）Glu-Cys-Gly（还原型）GSH过氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH还原酶NADPH+H+NADP+GSH与GSSG间的转换•还原型GSH能保护蛋白质的巯基免遭氧化。

体内许多激素属寡肽或多肽

神经肽(neuropeptide)2.多肽类激素及神经肽第二节蛋白质的分子结构

TheMolecularStructureofProtein一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)分为：空间结构（构象）(conformation)蛋白质结构的层次一级结构三级结构二级结构四级结构一、蛋白质的一级结构

(primarystructure)概念：指多肽链中氨基酸的排列顺序。

维持一级结构的化学键主要是肽键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。肽键的特性肽键长

0.132nmC-N单键

0.149nmC=N双键

0.127nm肽键具有部分双键性质（不能旋转）主链骨架原子：N、C、CoCαCαC0N参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元(peptideunit)

。肽平面的旋转：两个相邻的肽平面围绕

C的单键(C-N与C-C键)旋转，形成各种形式的主链构象。CαCα二、蛋白质的二级结构

(secondarystructure)概念：指多肽链上某段主链原子的空间排布，由主链氢键维系其构象。不涉及侧链构象。基本形式：1）-螺旋(-helix)

2）-折叠(-pleatedsheet)3）-转角(-turn)

4）不规则卷曲(randomcoil)

1）-螺旋的特点

(-helix)主链围绕中心轴呈右手螺旋上升，上升一圈含3.6个氨基酸残基；主链氢键（每个肽键的N-H

与第四个肽键的C=O形成的氢键）维持螺旋稳定;侧链位于外侧。纤维状蛋白：如毛发的-角蛋白、肌球蛋白几乎全部是-螺旋球状蛋白：如肌红蛋白70％为-

螺旋；溶菌酶5％为-螺旋若酸性或碱性氨基酸残基连续出现，会破坏

-螺旋的形成。2）-折叠的特点

（-pleatedsheet）两条以上多肽链或一条多肽链的若干肽段互相靠拢，平行排列，形成锯齿状折叠的片层结构；通过主链间氢键并联成片；侧链交替伸向片层的上方和下方（侧链较小）蚕丝蛋白3）-转角(-turn)的特点多肽链中出现的大约180°转折；通常由4个氨基酸残基构成；第一个残基的

C=O与第四个残基的N-H形成氢键维持结构稳定。

两种主要类型的β－转角β－转角的特定构象在一定程度上取决与他的组成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中.4）不规则卷曲

（randomcoil）多肽链中没有规律性的肽段卷曲。但相同蛋白质的相应部位有相同的卷曲。5）模体是具有特殊功能的超二级结构在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ。(motif)二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体(motif)

。模体是具有特殊功能的超二级结构。钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体链-β转角-链模体链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体模体常见的形式6）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。三、蛋白质的三级结构

（tertiarystructure）(一)三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即所有原子的空间排布。主要由次级键维系其构象。

(包括主链构象和侧链构象)多肽链在二级结构基础上进一步盘曲有生物学功能的蛋白质(特别是球状蛋白)一般至少应具备三级结构。肌红蛋白的三级结构胰岛素的三级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构维持三级结构稳定的键1.

次级键（起主要作用）——非共价键

1）疏水作用（疏水键）

2）离子键（盐键）

3）氢键（主链氢键和侧链氢键）

4）范德瓦氏力（VanderWaals——分子引力）2.二硫键

——共价键

蛋白质三级结构中一个或数个折叠较紧密的区域，各行其功能，称之。（二）结构域（domain）纤连蛋白（自学）（三）分子伴侣参与蛋白质折叠四、蛋白质的四级结构

（quaternarystructure）概念：指由两条以上多肽链各自形成具有三级结构的亚基，并通过次级键相互连接的空间排布。亚基(subunit)：在四级结构的蛋白质中，每一条具有完整三级结构的多肽链，称之。

血红蛋白（含4个亚基）血红蛋白的四级结构同二聚体：由两个结构相同的亚基组成的蛋白质分子。异二聚体：由两个结构不同的亚基组成的蛋白质分子。单独的亚基一般无生物学功能；亚基间借次级键连接；两条多肽链通过二硫键连接，不属于四级结构（如胰岛素、抗体）五、蛋白质的分类

单纯蛋白质：完全由氨基酸组成结合蛋白质：

蛋白质部分+非蛋白质部分（辅基）(辅基：寡糖、脂类、色素、金属离子等)纤维状蛋白：长轴／短轴>10球状蛋白：

长轴／短轴<10成分形状六、蛋白质组学（一）蛋白质组学基本概念蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。（二）蛋白质组学研究技术平台

蛋白质组学是高通量，高效率的研究:双向电泳分离样品蛋白质蛋白质点的定位、切取蛋白质点的质谱分析（三）蛋白质组学研究的科学意义

一级结构是空间结构的基础*肽链中若关键部位的氨基酸发生改变，则无法形成正确的空间结构。（如分子病）*但有时不是唯一的决定因素，还需分子伴侣协助

空间结构决定生物学功能

（如变构效应、变性等）第三节蛋白质结构与功能的关系

TheRelationofStructureandFunctionofProtein（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础牛核糖核酸酶的一级结构二硫键

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性分子伴侣（chaperon）作用：蛋白质合成时，协助蛋白质形成正确的构象。

•能与疏水肽段可逆结合，而防止疏水肽段错误聚集。

•能与错误聚集的疏水肽段结合，使之解聚，再诱导其正确折叠。

•协助二硫键正确配对*一级结构是空间结构的基础，但有时不是唯一的决定因素，还需分子伴侣协助。（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能。如：胰岛素、催产素和抗利尿激素胰岛素氨基酸残基序号A5A6A10A30人ThrSerIleThr猪ThrSerIleAla狗ThrSerIleAla兔ThrGlyIleSer牛AlaGlyValAla羊AlaSerValAla马ThrSerIleAla（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochromeC)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu

·glu·····C(146)HbSβ肽链HbAβ肽链N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。分子病：基因突变→蛋白质一级结构改变→生物学功能或理化性质改变→引起疾病。镰刀形红细胞贫血：

Hbβ6谷→缬，导致Hb聚集→红细胞镰变→易在网状内皮系统中破坏→贫血病蛋白质空间结构决定生物学功能（如变构效应、变性等）

蛋白质变构效应：蛋白质构象改变

导致功能改变。二、蛋白质的功能依赖特定空间结构肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基血红素结构（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似肌红蛋白(myoglobin，Mb)

肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。血红蛋白(hemoglobin，Hb)血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。Hb与Mb一样能可逆地与O2结合，Hb与O2结合后称为氧合Hb。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。血红蛋白变构效应：

Hb有两种可互变的构象

紧密态（T态）：脱氧Hb

松弛态（R态）：氧合HbPo2↑→O2与T态Hb第一亚基结合→构象松弛→依次促进第二、三、四亚基松弛而与O2结合→Hb呈R态Po2↓→R态变为T态→释放O2α1亚基与O2结合β1亚基与O2亲和力↑↓↓α亚基间盐键断裂β亚基间盐键断裂↓↓α2亚基与O2亲和力↑β2亚基与O2亲和力↑↓↓α、β亚基间盐键断裂Hb与O2亲和力升高数百倍T态R态协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应

(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity)（三）蛋白质构象改变可引起疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病疯牛病中的蛋白质构象改变第四节蛋白质的理化性质

（ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein）蛋白质具有两性电离特性

•

多肽链两端氨基、羧基可电离

•

酸性和碱性氨基酸残基侧链上的羧基、氨基、胍基、咪唑基均可电离一、蛋白质两性电离和等电点蛋白质的等电点

(pI)：当溶液处于某一pH值时，蛋白质电离成正、负电

荷的数量相等，净电荷为零，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。

NH3+NH3+NH2COOHCOO-COO-

阳离子兼性离子阴离子

pH<pIpH=pIpH>pIPPP←H+↑OH-↑→

不同的蛋白质pI不同

•

体内多数蛋白质的pI在pH5附

近，在pH7.4的体液中，多数蛋

白质以阴离子状态存在。

•

实际应用：电泳、离子交换层析二、蛋白质的胶体性质与沉淀蛋白质是高分子化合物，其颗粒在胶体颗粒（1～100nm)范围内，且蛋白质颗粒表面有大量亲水基团，故蛋白质属亲水胶体。蛋白质能稳定地溶于水中主要依靠两个因素：水化膜与表面电荷。

水化膜：

•

蛋白质的亲水基团多位于颗粒表面，

吸引水分子形成水化膜。

•

能阻止蛋白质相互聚集。

表面电荷：

•

在偏离蛋白质pI的溶液中，蛋白质

表面带同种电荷。

•

同种电荷相互排斥，阻止蛋白质聚集蛋白质的沉淀：指蛋白质从溶液中析出的现象。若去除水化膜、减少表面电荷，蛋白质极易发生沉淀（如盐析、有机溶剂沉淀法）变性后疏水基团暴露、肽链相互缠绕聚集，易发生沉淀并非所有沉淀蛋白质都变性三、蛋白质的变性和凝固蛋白质变性（denaturation)：在某些理化因素作用下，蛋白质特定的空间构象被破坏，导致理化性质改变及生物学活性丧失。变性因素：加热、紫外线、强酸、强碱、重金属、有机溶剂、生物碱等变性特点：1.空间结构破坏，一级结构完整2.生物学活性丧失3.易被蛋白酶水解4.溶解度降低，变性后疏水基团暴露、肽链相互缠绕聚集，易沉淀5.粘度增加6.结晶能力消失变性的应用：消毒（碘酒、酒精、高温等）保存大体标本煮熟食物，利于消化保存生物制剂如疫苗等蛋白质复性：去除变性因素后，少数变性蛋白质可恢复其原有的空间结构和功能的现象，称～。但多数蛋白质变性后不能复性空间结构完整生物学活性丧失生物学活性恢复蛋白质凝固：变性蛋白质经再加热，使松散的多肽链紧密地缠绕成比较坚固的凝块。（不可逆）四、蛋白质的紫外吸收

蛋白质中色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰为280nm波长。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。五、应用蛋白质呈色反应可测定蛋白质溶液含量茚三酮反应(ninhydrinreaction)双缩脲反应(biuretreaction)第五节蛋白质的分离纯化与结构分析TheSeparationandPurificationandStructureAnalysisofProtein一、透析及超滤法可去除蛋白质溶液中的小分子化合物应用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜，达到浓缩蛋白质溶液的目的。1、透析(dialysis)2、超滤法利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。1、透析透析袋：具有超小微孔，小分子物质能通过，而大分子蛋白质不能通过。Pr小分子物质需多次更换袋外溶液

应用压力（离心力、正压）使溶液中的小分子物质透过含微孔的超滤膜，而大分子蛋白质被截留。2.超滤Pr小分子物质超滤膜离心管二、丙酮沉淀、盐析及免疫沉淀是常用的蛋白质沉淀方法使用丙酮沉淀时，必须在0～4℃低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液体积。蛋白质被丙酮沉淀后，应立即分离。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。盐析(saltprecipitation)是将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。免疫沉淀法：将某一纯化蛋白质免疫动物可获得抗该蛋白的特异抗体。利用特异抗体识别相应的抗原蛋白，并形成抗原抗体复合物的性质，可从蛋白质混合溶液中分离获得抗原蛋白。三、利用荷电性质可用电泳法将蛋白质分离蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术,称为电泳(elctrophoresis)

。根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、